基于TracrPro软件分析的新型太阳能灶研究

文/向明利 韩 滔 石强强 苏钰洁

0 引言

据生态保护部统计，我国仍有将近6亿人口使用固体燃料做饭，尤其在农村地区情况更为普遍，燃烧薪柴会产生大量颗粒物，加剧肺癌风险。太阳能灶给农牧民提供了一种更为清洁的烹饪方式，运用在我国太阳能资源丰富的西部地区，能减少烹饪的碳排放，降低用于烧水做饭的薪柴砍伐率。西部地区不少政府通过补贴购买等方式，大力推动太阳能灶的普及，其中聚光式相比于箱式更加满足我国实际烹饪需求，在西部地区应用范围较广。但传统聚光式太阳灶加热时间长达两个小时， 给使用带来了很大不便，降低了农牧民们的使用热情，使太阳灶的推广没有完全达到预期的目的。

为此，本文针对聚光式太阳能灶提出了一种新型灶具结构，该设计是通过在灶具底部设置多个内凹通道，增加太阳光线在底部的反射次数，延长光线停留时间，提高传热效率缩短加热时长。进一步地，为使新型太阳能灶具有更好的光学性能，本文采用TracePro分析软件探究了通道尺寸参数对其的影响。

1 灶具构造

聚光式太阳灶由抛物面聚光镜、灶具及支架组成，传统灶具的底部为平面，对于太阳能的吸收率较低，为了提高太阳灶的光学效率，提出了一种底面内凹的新型灶具结构，原理如图1（a）所示，光线经聚光镜反射到灶具底部，进入表面粗糙的内凹通道，光线进行漫反射，进而增加对太阳能的吸收率。此外，为提高传热效率，还对灶具做了如下设计：（1）在通道外壁安装翅片，增加换热面积。（2）在灶具外壁粘贴防火耐高温的保温材料，减少散热损失。灶具结构如图1（b）所示。

图1 灶具原理及结构图

2 光学分析

采用TracePro软件对新型灶具的光学效率进行分析，以传统灶具为参照进行对比，验证新型灶具结构的性能提升。此外，还探究通道尺寸对于光学性能的影响，找出最佳的通道参数，为新型灶具结构进一步落地提供理论支撑。

2.1 建模

新型灶具结构是通过设置内凹通道来提高光线吸收率，同时，通道的直径大小、高度以及通道个数都影响着进入通道光线的多少，为探究内凹通道的物理参数对于光通量的影响，本文共设定了9种不同尺寸的通道组合，如表1所示。

表1 新型灶具设计尺寸表

按照通道个数的不同设定了3种布置方式，分别是5个通道（每个通道直径6.5 cm）、9个通道（直径5 cm）和13个通道（直径4 cm），如图2（b）（c）（d）所示。此外，通道高度的不同也影响着光线的入射率，按照与通道直径的倍数关系进行设置高度，分别有1倍直径、1.5倍直径与2倍直径这三种高度。采用Pro ENGNEER软件对传统和新型灶具结构进行建模，两种灶具尺寸均为直径25cm×高25cm。

图2 传统灶具结构与新型灶具结构布局

2.2 TracePro模拟

为分析新型灶具结构的光学性能，采用光学仿真软件TracePro定义和追踪光线，得到灶具底部的光通量结果。该软件是基于MCRT（蒙特卡洛射线追踪）方法进行的，其原理是从随机点随机方向发射射线，根据射线方向及表面特性来判断光线的走向，达到追踪光线的目的。

TracePro对抛物面聚光镜、灶具的模拟如图3所示，其中，模型中聚光镜的直径为126.49 cm，长度20 cm，焦距50 cm，较实际生活中的聚光镜尺寸有同比例缩小。在TracePro中设置表面光源模拟自然条件下的太阳能光源，设置的某地区同一时间同一光照条件，对不同结构的灶具进行光线路径分析。设定光源的光通量为10 000 W，发射光线总数为10 000，假设锅具材质能使太阳光全部反射，折射系数为1，穿透率为0，吸收率为0。

图3 TracePro模拟图

2.3 模拟结果

采用TracePro软件对传统灶具结构以及9种不同通道尺寸的新型灶具结构分别进行了光线追踪与结果统计，得到每种构造下灶具各面的光通量分布图。根据软件计算结果，得到传统灶具结构底面光通量为127.33 W。而对于新型灶具结构，其光通量主要体现在灶具底部与内凹通道内侧两部分，以通道尺寸为直径5 cm×高度5 cm的灶具为例，其底面光通量分布如图4（a）所示，某一通道的内侧面光通量分布结果如图4（b）所示。

图4 光通量分布图

根据光通量分布图，可以得到灶具底面和各个内凹通道获得的光通量，统计所有受光面的光通量之和，分别得到9种不同通道尺寸的灶具结构下的光通量总和，如表2、表3和表4所示。将新型灶具结果与传统灶具光通量进行对比，可以得到增加内凹通道对整个灶具的光学性能提升率，如表5所示，从而分析出内凹通道尺寸对于光学性能的影响。

灶具设置为5个通道（外径6.5 cm）的模拟结果分析如表2所示。

表2 5个通道（外径6.5 cm）灶具的光通量

灶具设置为9个通道（外径5 cm）的模拟结果分析如表3所示。

表3 九个通道（外径5 cm）灶具的光通量

灶具设置为13个通道（外径4 cm）的模拟结果分析如表4所示。

表4 十三个通道（外径4 cm）灶具的光通量

根据上述光通量结果，可以发现：

（1）不同通道数目，通道的高度增加，总光通量是呈增长趋势的。说明通道高度增加，太阳能利用效率增加。

（2）通道高度较低时，出现最小光通量为0W的现象。说明高度如果较低，可能会使太阳光线无法进入通道内，降低太阳能利用率。

（3）总光通量最大的灶具结构是13个通道，每个通道的外径为4 cm，高度为8 cm。

对比传统灶具结构（光通量为127.33 W），其每种结构的光通量浮动比例如表5所示。

表5 新型灶具结构与传统灶具相比的光通量浮动比例（%）

根据横向对比结果可以发现：改变灶具结构，在底面设置通道结构可以不同程度的提高灶具接受的光通量。其中“9通道，高度为10 cm”的结构和“13通道，高度为8 cm”的结构光通量的浮动分别为64.05%和68.37%。考虑经济和技术问题，笔者认为选择“9通道，高10 cm”的改造方案较为合适。

3 结语

采用TracePro软件对传统灶具结构以及9种不同通道尺寸的新型灶具结构分别进行了光线追踪与结果统计，对不同通道尺寸下灶具结构的光通量结果进行对比分析，得到：

（1）内凹通道的设置使得新型灶具结构的光通量较传统灶具结构有明显提升，最高可达68.37%，因而该结构设计能在一定程度上有效提升整个灶具结构的光学性能。

（2）通道高度对于灶具光学性能的影响呈正相关，即高度越高，进入通道内壁的光通量越大，对于光线的吸收率则越高。

（3）通道内径越大，则能够入射的光线数量越多，但在灶具底面积一定的情况下，内径越大则能够设置的通道数量越少，因而可以发现5个通道（外径6.5 cm）的光通量并非最大。最佳选择结果是“9通道（外径5 cm），高10 cm”的通道参数尺寸，较传统灶具其光通量浮动比例为64.05%。